面向钢轨砂带打磨的材料去除机理及表面完整性研究

发布时间：2021-02-12 19:25

　　高速铁路、重载铁路及城市地铁等现代轨道交通制式的迅猛发展,导致了线路养护需求逐年攀升、作业时间日趋紧张,不断推动着钢轨打磨装备和技术向高效化、智能化及多样化发展。随着近年来砂带制备工艺和磨料性能的进步与创新,一种基于砂带磨削的新型钢轨打磨技术——钢轨砂带打磨技术,凭借其弹性磨削、冷态磨削、高效磨削等特点应时而生,于实际工程中也得到了应用。然而,尚不健全的基础理论体系难以支撑打磨装备设计、工艺参数选取、打磨模式制定等关键技术的研发,极大阻碍了钢轨砂带打磨技术的发展与推广。因此,本文围绕砂带磨削的物理本质基础——接触轮、砂带和工件三者间的复杂接触行为,开展面向钢轨砂带打磨的材料去除机理及表面完整性研究。首先,依据接触轮、钢轨和砂带弹性模量间的显著差异,将接触部件间的三维接触问题转化为外包弹性圆环的刚性圆与刚性平面的二维接触问题,建立了内凹及平型接触轮与理想圆柱轨面的接触模型,发现接触斑形态受接触轮同钢轨的曲率匹配关系和接触压力影响,分为椭圆形、双三角形和马鞍形;在此基础上,针对接触轮打磨位姿任意和轨面曲率骤变的接触情况,通过数值方法实现了接触边界及其接触应力的求解;通过有限元仿真和接触实验... 

【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：143 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 相关研究综述
        1.2.1 钢轨砂带打磨接触理论
        1.2.2 砂带磨削材料去除模型
        1.2.3 钢轨砂带打磨表面完整性
    1.3 关键问题
    1.4 主要研究内容与组织结构
2 钢轨砂带打磨宏观接触问题研究
    2.1 引言
    2.2 砂带对接触状态的影响分析
        2.2.1 张紧作用下接触轮的受力分析
        2.2.2 张紧力引起的接触轮变形分析
        2.2.3 接触模型中对于砂带弹性的考虑
    2.3 不同接触轮及接触条件下的接触模型
        2.3.1 橡胶材料非线性本构模型
        2.3.2 面向内凹、平型接触轮的接触模型
        2.3.3 面向复杂接触条件下的接触模型
    2.4 接触模型有限元仿真及实验验证
        2.4.1 有限元仿真模型及接触实验条件
        2.4.2 内凹、平型接触轮接触模型验证
        2.4.3 复杂接触条件下的接触模型验证
    2.5 本章小结
3 钢轨砂带打磨材料去除建模研究
    3.1 引言
    3.2 砂带表面磨粒特征的量化评价
        3.2.1 砂带表面形貌测量
        3.2.2 磨粒特征提取及统计分析
    3.3 基于磨粒切削机理的材料去除建模
        3.3.1 局部多磨粒最大切入深度求解
        3.3.2 指定应力分布下的材料去除模型
    3.4 模型验证与打磨工艺参数影响分析
        3.4.1 实验设备与方案
        3.4.2 实验结果与分析
    3.5 本章小结
4 轨面粗糙度预测及打磨工艺参数影响研究
    4.1 引言
    4.2 基于二维数字滤波的砂带表面模拟
        4.2.1 砂带表面高度分布及纹理特征分析
        4.2.2 砂带表面三维形貌的数值模拟
        4.2.3 砂带表面形貌模拟结果及验证
    4.3 轨面微观轮廓模拟及粗糙度预测
        4.3.1 时变压力下的局部砂带名义切深
        4.3.2 有效磨粒切削轨迹包络线的提取
        4.3.3 轨面微观粗糙度轮廓仿真模拟
    4.4 方法验证及打磨工艺参数影响分析
        4.4.1 打磨实验与粗糙度检测方案
        4.4.2 接触压力的影响
        4.4.3 砂带速度的影响
        4.4.4 列车速度的影响
    4.5 本章小结
5 打磨残余应力实验及有限元仿真研究
    5.1 引言
    5.2 基于实验的打磨工艺参数影响分析
        5.2.1 打磨实验与残余应力检测方案
        5.2.2 接触压力的影响
        5.2.3 砂带速度的影响
        5.2.4 列车速度的影响
    5.3 基于FEM的单磨粒划擦残余应力分析
        5.3.1 有限元模型及仿真方案
        5.3.2 接触面间摩擦的影响
        5.3.3 磨粒球顶半径的影响
        5.3.4 磨粒切入深度的影响
        5.3.5 磨粒切削速度的影响
        5.3.6 磨粒切削前角的影响
    5.4 基于FEM的多磨粒划擦残余应力分析
        5.4.1 前后相邻磨粒间的作用
        5.4.2 左右相邻磨粒间的作用
    5.5 本章小结
6 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 工作展望
参考文献
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
    一、作者个人简历
    二、发表论文情况
    三、参与科研项目
    四、主要获奖情况
学位论文数据集


【参考文献】：
期刊论文
[1]钢轨打磨机理研究进展及展望[J]. 周坤,王文健,刘启跃,郭俊.  中国机械工程. 2019(03)
[2]砂带磨削表面粗糙度理论预测及灵敏度分析[J]. 高超,王生,王会,刘广照,吴国荣.  表面技术. 2018(11)
[3]高速铁路钢轨打磨技术的发展现状与展望[J]. 樊文刚,刘月明,李建勇.  机械工程学报. 2018(22)
[4]航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势[J]. 黄云,肖贵坚,邹莱.  航空学报. 2019(03)
[5]基于弹性赫兹接触的钢轨砂带打磨材料去除建模研究[J]. 樊文刚,刘月明,王文玺,李建勇,王荣全.  机械工程学报. 2018(15)
[6]基于内凹型接触轮的钢轨砂带打磨静态接触行为与仿真研究[J]. 樊文刚,程继发,吴月峰,李建勇,宋晓阳.  机械工程学报. 2018(14)
[7]轮轨材料硬度匹配对车轮多边形磨耗影响的试验研究[J]. 常崇义,李果,张银花,周邵博.  中国铁道科学. 2018(02)
[8]波浪型面钢轨砂带打磨时变接触行为与仿真研究[J]. 樊文刚,程继发,吕洪宾,李建勇,宋晓阳.  机械工程学报. 2018(04)
[9]基于ABAQUS的TC11单颗粒砂带磨削过程仿真[J]. 孙杰,曲中兴,张立武.  航天制造技术. 2017(06)
[10]砂带虚拟形貌的建模[J]. 何喆,李建勇,刘月明,聂蒙,樊文刚.  华南理工大学学报(自然科学版). 2017(12)

博士论文
[1]车轮材料摩擦疲劳损伤机理及微观组织演变行为研究[D]. 何成刚.西南交通大学 2018
[2]基于接触理论的精准砂带磨削基础研究[D]. 王亚杰.重庆大学 2015
[3]钢轨打磨车磨削过程建模研究[D]. 智少丹.北京交通大学 2015
[4]叶片型面数控砂带磨削技术基础及应用研究[D]. 黄智.重庆大学 2010
[5]核电高压容器强力高效砂带磨削方法及应用研究[D]. 黄云.重庆大学 2009
[6]轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究[D]. 郭俊.西南交通大学 2006

硕士论文
[1]高速铁路轮轨粗糙度噪声影响特性研究[D]. 徐俊杰.华东交通大学 2018
[2]打磨参数对钢轨表面温度及烧伤行为影响研究[D]. 林彬.西南交通大学 2018
[3]基于非均匀磨削层的钢轨砂带磨削能力与打磨模式研究[D]. 龚昇.北京交通大学 2018
[4]残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生与扩展的影响机理研究[D]. 李杨.石家庄铁道大学 2017
[5]基于虚拟砂轮建模的打磨转速对钢轨打磨磨削行为影响[D]. 商维.西南交通大学 2017
[6]钢轨砂带打磨接触轮作用机理与参数优化研究[D]. 宋晓阳.北京交通大学 2017
[7]钢轨高速打磨机理研究[D]. 许孝堂.西南交通大学 2016
[8]面向钢轨打磨的砂带磨削过程建模与实验研究[D]. 王荣全.北京交通大学 2016
[9]船用螺旋桨叶片砂带磨抛在机检测系统研究[D]. 周丽琪.重庆大学 2015
[10]打磨转速与磨石粒度对钢轨材料去除行为影响研究[D]. 顾凯凯.西南交通大学 2015



本文编号：3031324